基于物聯網技術的智能閘壩調度系統研究

摘要：針對南涑河水系閘壩群調度不合理、配合有效性不高等問題進行軟件架構，設計閘壩智能調度輔助決策模型，并建立包含多功能模塊的軟件管理平臺，對閘門的實時運行狀態進行監控、調控，實現閘壩智能化管理，充分利用水資源，確保發揮水利工程的綜合效益。

關鍵詞：物聯網技術；閘壩智能調度；智能管理；自動控制；智慧水利

0 引言

為了保證可持續發展，從傳統的水資源保護到以可持續發展為目標的水資源保護是必要的，這也必將帶來水利工程職能的轉變。因此，除了滿足社會發展和經濟發展的需要，還必須考慮保護和改善環境的功能。水量和水質的聯合規劃是實現社會經濟和生態環境協調發展的有效措施，同時也是國內外水科學研究的前沿和熱點之一。其目的是對現有的水利工程或擬建的水利工程進行修改、規劃和行動，發揮水利工程的功能和綜合效益，充分利用所有可利用的水資源，增加可用于生產和生活的水量，同時兼顧河流水質、水生態、水環境和水景觀的恢復、改善和保護，確保水資源的可持續利用，保證社會和經濟發展[1]。

南涑河水系屬于沂河流域，其大多數水閘和水壩在旱季時關閉儲存，在汛期時開放泄洪。這種不合理的水閘和大壩作業安排，往往會導致污染物群的集中排放。閘壩群的隨意安排，相互之間缺乏有效的協調，加劇了污染事件的發生。因此，有必要實施基于物聯網的智能閘壩調度技術，以保證水質和水量。

1 系統總體架構設計

本研究針對南涑河水系進行軟件架構，設計閘壩智能調度輔助決策模型，建立包含多功能模塊的軟件管理平臺，實現閘壩的智能化管理[2]。

1.1 軟件架構

采取前后端分離模式，前端系統：Saber（基于Vue、Element UI），后端使用SpringCloud全家桶并執行核心組件的高級封裝，單獨開源出BladeTool框架，減少項目工程復雜度，更專注于業務開發。與Sentinel的整合以各種方式保護服務的穩定性，如流量控制、熔斷器降級和系統負載。Nacos被選作日志中心和配置中心，以簡化設計并加強各模塊之間的連接。對多租戶底層進行極簡的封裝，用更少的代碼實現更多可擴展的多租戶SaaS系統[3]。

為了實現多終端的認證，借鑒OAuth2，控制子系統令牌權限，使之相互隔離；在封裝Secure模塊時，借鑒Security，使用JWT進行令牌認證，并使用Redis等細粒度控制方案。部署方案采用k8s+jenkins的部署架構。該項目是為了實現規范微服務的開發模式，使項目的各分包之間有明確的分工[4]。

1.2 閘壩智能調度輔助決策模型

圖1顯示了用于閘壩智調度的智能決策模型的框架。該框架由三部分構成，分別是水閘的調度模型、水閘調度算法、預案庫。該算法模擬并測試了一個假設的調度方案，所產生的調度方案被存儲在一個預案庫中。經過廣泛訓練的水閘調度模型根據水閘實時監測到的水質和水量數據創建水閘預調度計劃，之后由水閘調度算法對該調度計劃進行模擬[4]。當模擬結果符合預期目標時，規劃方案被認為是合適的，并被發布；當模擬結果無法滿足預期時，便需要人工對其進行干預，具體做法是先修正原有的調度方案，然后通過算法對修改后的方案進行模擬，直到實現符合調度目標的方案。該方案可以作為一個提案加入預案庫，用于未來的深度學習訓練。

2 系統軟件功能模塊

2.1 三維可視化管理平臺

2.1.1 閘壩三維模型

基于閘壩設施對建模更精細化的要求，利用傾斜攝影技術與三維協同設計的配合，通過GIS平臺的三維可視化，融合工程設計模型和真實的三維模型，不僅可以將工程設計和物理環境的概況相融合，還可以提供直觀和強大的模擬感。

2.1.2 水閘開放水模擬

可借助水閘三維模型，實現水閘的開放水動態模擬過程。可根據放水速度、水閘大小、閘口開關控制，實現水閘放水的動態模擬效果。水閘開放水模擬如圖2所示。

2.1.3 水位/水文設施在線監測

對接展示各類水利監測信息，如水文、氣象、環保、水位、運營商的相關數據異常告警；通過對雨情、水情（河道）、衛星云圖、氣象雷達、降雨分布、天氣實況、臺風信息、積水等重點領域的實時物聯數據、報警預警信息、風險呈現態勢的智慧感知，為日常監管、預測預警、搶險救援、災后評估等提供及時、精準和高效的感知信息。在線監測預警過程為預警信息發布及現場實時狀況的掌握提供了關鍵的數據支持。

2.1.4 基礎數據資源管理

數據資源的建設主要包括靜態數據、動態數據、實時數據三種數據類型的數據資源建設。靜態數據主要包括地理信息、管理單位信息、人員信息等。靜態數據可以通過文檔、電子表格等形式從各相關負責單位獲取，并及時更新。動態數據主要包括工程建設過程中的建設項目、除險加固、巡查信息、工程檢查信息、維護養護信息、人員工作臺賬、人員培訓臺賬、安全生產臺賬、系統日志等。實時數據主要通過感知體系進行自動采集。在數據資源建設過程中，要優先利用已有感知體系資源，在合理布局并滿足工程運行管理需要的基礎上按照相關規范及技術標準進行建設完善。

2.2 閘壩智能調度

智能化的閘壩調度主要涉及閘壩運行的實時監測和控制。在閘壩群數量多、地域分散，對實時運行、管理和可靠性要求高的情況下，構建智能水利云平臺，實時收集河道的水位情況信息，并結合內部洪水預警系統數據和河湖巡查數據進行綜合分析，對各閘門進行智能調節和管理。

該系統以GIS平臺為基礎，構建共享服務平臺和基于SOA的運營管理平臺，實現資源共享功能。該系統包括基本的地理現場數據，可顯示攝像機、泄洪閘、泵站和監測站的位置，快速定位管理目標，快速查看和檢索歷史信息和實時預報。該系統還可以從每個閘和站收集實時數據，供調度員隨時了解最新情況[6]。

2.2.1 閘門實時狀態監測

總體監測以GIS為底圖，標注各閘壩的地理位置，點擊可進入對應閘壩運行監測界面，實時顯示閘門開閉狀態，閘前、閘后水位，以及閘門啟閉的整個過程。閘門操作時，可調出視頻監控窗口，結合實時采集的閘門開度、電機電流、電壓等實時參數，實現遠程操作的可視化，確保系統安全[7]。

2.2.2 閘門視頻監控

查看閘壩實時運行情況，實現安防功能。有云臺控制的攝像機可進行云臺控制，所有視頻畫面均可進行抓圖、保存。利用各種多媒體進行展示，通過多模式可視化實現對閘壩的實時監控，并通過輪巡計劃、區域分組計劃的實施獲取閘壩的實時動態情況。

2.2.3 指令調度

指令調度是系統依據水位監測數據的更新和內澇預警系統閘壩動作策略發送調度指令。根據閘壩、河道監測點監測到的水位信息，天氣預報的降水、風力等情況，同時兼顧水閘的防汛、放水、攔污等功能，生成相關調度指令，以實現對水閘的聯合調度，達到防洪、排澇的目的[8]。

2.2.4 閘門調度

根據監測的水位信息設置三種水位信號：低水位、中水位、高水位。水閘根據河道、湖泊水位或接收調度指令可實現全開、全關及開到設定開度位置等，通過水閘開度儀實時監測閘門的開啟程度，水泵根據水位的不同自動啟動、停止及開關水閘閥門。在正常水位情況下，每個水泵自動運行；在危水位情況下，必要數量的水泵自動啟動。

2.2.5 閘門設施電子檔案

由于閘壩中包含大量設備，管理有一定的難度，必須建立電子檔案用于相關信息管理，如設備的建成及投入時間、地理位置、檢修次數、檢修時間等。

2.2.6 閘門物資管理

主要是促進閘門防汛物資、維修物資、河道管理相關物資的管理走上標準化、規范化、信息化的軌道，提高相關資料的管理水平，做到相關數據共享度高、信息反饋迅速及時，實現對物資的數據整合、統計查詢及分析應用。

2.3 設施巡檢、養護、維修管理

設施巡檢可以工作責任區為基礎單位、區域內市水務局設施為檢查目標制訂周期性計劃，結合具有GPS功能的移動終端，提供“計劃制訂—任務下達—問題上報—結果核查”全過程、精細化的管理模式[9]。系統具備設施地圖、巡檢計劃、任務派發、巡檢軌跡功能。

設施養護管理可提供日常養護、年度養護、養護計劃管理，對月度任務單進行分解并對每個任務安排養護人員，支持接收巡檢問題或其他報修事件，以養護人員提報的量化工作單作為工作考核依據[10]。

設施維修管理是指提供維修任務接收、工單派發、維修工作單管理，可接收巡檢問題或者養護轉派、其他渠道維修案件，支持設定工單時長期限、工單處理時限，記錄派發人、派發時間等信息，派發給指定維修負責人，現場維修人員提報量化工作單作為核實依據[11]。

2.4 考核評價與系統管理

2.4.1 考核評價

考核評價是針對設施養護質量、進度等方面進行養護任務的分層管理考核，提供對任務考評得分錄入功能，形成綜合排名，最終得分將作為養護工程量安排、人員勞務結算、工作質量考核的依據。考核評價主要包括檢查反饋、綜合考評、考核標準管理三部分。

檢查反饋按照市水務局設施養護維修質量考核辦法，系統提供對養護維修任務進行考核的功能，通過對正在執行和已經結束維修任務的復查、抽查、回訪的方法，對養護維修施工質量進行分層管理考核，可以評價設施養護質量、進度等方面是否合格。

綜合考評是根據月度或年度質量檢查情況和考核辦法，提供任務考評得分錄入功能，系統自動計算確定最終考核得分，形成綜合排名，最終得分將作為養護工程量安排、人員勞務結算、工作質量考核的依據。

考核標準管理是指針對設施養護考核內容制定指標分類，對工作標準進行界定。系統提供考核標準設定、修改功能，可設定各類標準的級別分類、分值比重，建立考核的指標體系。

2.4.2 系統管理

系統管理的主要功能包括用戶管理、部門管理、角色管理、日志管理、菜單管理和字典管理。用戶管理是指對系統用戶的增、刪、改、查操作。部門管理是對系統用戶所屬部門的增、刪、改、查操作。角色管理意味著系統用戶可以根據所分配的角色定制對系統的使用，因為不同的角色有不同的功能表現。日志管理指記錄用戶對系統的訪問情況，包括日志編號、訪問人員、訪問時間等，并可通過搜索查詢方便地獲取這些日志條目。系統功能菜單是用戶對系統功能的訪問點，擁有功能訪問權限的用戶可以訪問與該功能對應的頁面。詞典管理包括業務數據詞典管理和系統數據詞典管理，用于配置與系統管理和流程運行密切相關的數據元素。

3 結語

本文針對南涑河閘壩群調度無序、無效配合等特點，設計基于物聯網技術的水質水量聯合智能閘壩調度技術，構建閘壩智能調度輔助決策模型，建立包含閘壩智能調度、閘壩設備管理、閘壩運行監測等多功能模塊的軟件管理平臺，實現閘壩的智能調度，對閘壩進行實時監測與控制，保障閘壩的準確運行，提升閘壩運行的安全性、可靠性和科學性，可實現水資源的充分利用，保障社會經濟的可持續發展，同時可為其他相似閘壩群實現智能化管理提供參考。

參考文獻

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[11]李珍明.上海市水閘泵站計算機智能控制系統初步探索[J].微型電腦應用，2005（7）：9-11，38.

收稿日期：2023-02-03

作者簡介：

王憲芳（1980—），男，研究方向：信息化。

高遠（1996—），男，研究方向：水利工程。

馮玉龍（1988—），男，研究方向：大數據。

董坤明（1987—），男，研究方向：水利工程。

王富霖（1992—），男，研究方向：信息化。